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Schlag-Bohreinrichtung für Großlochbohrungen
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Die Erfindung betrifft eine Schlag-Bohreinrichtung für Großlochbohrungen,
mit einem drehangetriebenen ersten Bohrgestänge, an dessen vorderem Ende außermittig
mindestens ein druckbetriebener Tieflochhammer angebracht ist.
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Zur Herstellung von Großlochbohrungen mit einem Durchmesser von ca.
30 cm aufwärts ist es bekannt, an dem vorderen Ende eines Rohrgestänges mehrere
druckbetriebene Tieflochhämmer anzubringen (DE-OS 27 58 385).Beim Drehen des Rohrgestänges
führen die exzentrisch angeordneten Tieflochhämmer Umlaufbewegungen durch, während
gleichzeitig Schläge auf die Bohrkronen ausgeübt werden. Die Tieflochhämmer sind
an eine gemeinsame Druckleitung angeschlossen. Jeder Tieflochhammer hat eine eigene
Steuereinrichtung, die die Schlagfrequenz bestimmt und den
Schlagablauf
steuert. Das Druckmedium für den Antrieb der Tieflochhämmer, z.B. Druckluft, tritt
an den Bohrkronen in der Nähe der Bor sohle aus und trägt zum Zurückspülen des abgetragenen
Bohrgutes bei. Das Rückspülen erfolgt durch das Innere des Rohrgestänges hindurch,
in dem ein breiter Kanal vorgesehen ist, der von dem Kanal zum Zuführen des Druckmediums
abgetrennt ist. Das Rückspülen wird außerdem durch eine auf das rückwärtige Ende
des Rohrgestänges einwirkende Saugquelle in Form einer Venturidüse unterstützt.
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Bei den bekannten Bündelhämmern führen die exzentrisch zum Rohrgestänge
angeordneten Tieflochhämmer eine Umlaufbewegung um die Achse des Rohrgestänges aus.
Infolge dieser reinen Umlaufbewegung wirken stets die gleichen Bereiche der Bohrkronen
der einzelnen Tieflochhämmer auf den äußeren Rand der Bohrsohle ein, während andere
Bereiche der Bohrkronen weiter innen auf die Bohrsohle einwirken. Dies führt zu
einer ungleichmäßigen Abnutzung der Bohrkronen, weil der größere Bohrwiderstand
stets am Rand der Bohrsohle auftritt.
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Während im Mittelbereich bereits abgelöstes Gestein vorhanden ist,
das lediglich zerschlagen oder zerkleinert werden muß, wird in den Randbereichen
ein großer Teil der Schlagenergie dazu benutzt, das Gestein von der Bohrsohle zu
lösen. Hinzukommt, daß in den Randbereichen das Gestein einen viel festeren Halt
in dem seitlich verbleibenden Gestein hat. Aus den genannten Gründen nutzten sich
die Bohrkronen der bekannten Bündelhämmer ungleichmäßig ab. Wenn die in der Nähe
des Bohrsohlenrandes arbeitenden Hartmetallstifte der Bohrkronen verbraucht sind,
sind die auf dem Mittelbereich der Bohrsohle einwirkenden Hartmetallstifte
noch
gut brauchbar. Die Bohrkronen müssen aber dann dennoch ausgewechselt oder nachgeschliffen
werden. Dies ist ein zeitraubender Vorgang, weil das gesamte Rohrgestänge aus dem
Bohrloch herausgezogen werden muß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schlag-Bohreinrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Abnutzung der Bohrkrone des
Tieflochhammers über die Arbeitsfläche gleichmäßig erfolgt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der
Tieflochhammer einen Drehantrieb aufweist und um seine eigene Achse herum rotiert.
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Bei Verwendung zahlreicher Tieflochhämmer, die beispielsweise auf
einem Kreis um die Mittelachse des Rohrgestänges herum angeordnet sind, ist jeder
dieser Tieflochhämmer angetrieben. Durch die Drehung der Bohrkronen um die Achsen
der Tieflochhämmer wird eine gleichmäßige Abnutzung jeder einzelnen Bohrkrone über
ihren Querschnitt erreicht, weil bei der Drehung alle Bereiche der Bohrkrone in
die Randzone der Bohrsohle gelangen. Aufgrund dieses Effektes wird mit der Schlag-Bohreinrichtung
auch eine größere Bohrleistung pro Zeiteinheit und eine größere Richtungsgenauigkeit
der Bohrung erzielt.
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Der Drehantrieb der Tieflochhämmer kann im Prinzip dadurch erfolgen,
daß jeder Tieflochhammer einen eigenen Fluidmotor aufweist, der von dem durch das
Rohrgestänge zugeführten
Druckmedium angetrieben wird. Diese Variante
stellt jedoch eine relativ aufwendige Lösung dar. In vorteilhafter Weiterbildung
der Erfindung ist demgegenüber ein koaxial zu dem ersten Rohrgestänge verlaufendes
zweites Rohrgestänge vorgesehen, wobei das erste Bohrgestänge relativ zu dem zweiten
Bohrgestänge rotiert, und der an dem ersten Rohrgestänge gelagerte (mindestens eine)
Tieflochhammer steht über Zahnräder mit dem zweiten Rohrgestänge in Eingriff, um
durch die Relativdrehung der beiden Rohrgestänge angetrieben zu werden. Die Drehenergie
für die Tieflochhämmer wird also aus der Relativdrehung der beiden Rohrgestänge
abgeleitet. Es brauchen nicht alle an dem ersten Rohrgestänge angebrachten Tieflochhämmer
um ihre eigene Achse zu rotieren. Wichtig ist nur, daß die den Randbereich der Bohrsohle
bearbeitenden Bohrkronen gedreht werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist zwischen einem zentralen
Zahnrad des zweiten Rohrgestänges und einem Zahnrad, das den Tieflochhammer umgibt,
jeweils ein an dem zweiten Rohrgestänge gelagertes Übertragungszahnrad angeordnet.
Durch das übertragungszahnrad wird die Bohreinrichtung unabhängig von der Art der
verwendeten Tieflochhämmer. Dieselbe Bohreinrichtung kann in Verbindung mit Tieflochhämmern
unterschiedlicher Durchmesser benutzt werden, wobei jeweils das übertragungszahnrad
so gewählt wird, daß es einerseits mit dem zentralen Zahnrad und andererseits mit
den Zahnrädern der Tieflochhämmer kämmt.
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Die Achse des übertragungszahnrades braucht nicht notwendigerweise
auf demselben Radius zu liegen wie die Achse des zugehörigen Tieflochhammers, sondern
sie kann auch gegenüber dem Radius des Tieflochhammers versetzt sein.
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Zweckmäßigerweise ist das zweite Rohrgestänge drehfest gehalten. In
diesem Fall laufen die Übertragungszahnräder um das zentrale Zahnrad um, wobei sie
die Zahnräder der Tieflochhämmer antreiben. Es entsteht also ein Zahnradgetriebe
nach Art eines Planetenradgetriebes mit feststehendem Sonnenrad und angetriebenem
Planetenradkäfig.
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Damit das Rückspülen des Bohrgutes bzw. das Ansaugen in unmittelbarer
Nähe der Bohrlochsohle erfolgt, ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung
in Verlängerung des zweiten Rohrgestänges ein sich bis in die Nähe der Bohrsohle
erstreckendes Rückspülrohr an dem zweiten Rohrgestänge befestigt. Dadurch wird insbesondere
in Verbindung mit einer an das zweite Rohrgestänge angeschlossenen Saugeinrichtung
erreicht, daß das Bohrgut in unmittelbarer Nähe der Bohrsohle abgesaugt und mit
Unterstützung durch den Druck des Spülmediums ausgetrieben wird.
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Da bei der bevorzugten Ausführungsform der Antriebseinrichtung im
Innern des Bohrlochs ein Zahnradgetriebe angeordnet ist, ist es zweckmäßig, eine
geeignete Schmierung vorzusehen. Diese kann dadurch erfolgen, daß eine zu dem Tieflochhammer
führende Druckleitung durch eine die Zahnräder enthaltende Kammer hindurchführt.
Wenn als Druckmedium Druckluft verwendet wird, kann dieser Druckluft eine Schmiermittelemulsion,
z.B. öl, beigegeben werden.
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Das öl gelangt auf diese Weise an die Zahnräder, die geschmiert werden.
Die Drukluft kann nach dem Verlassen der Kammer an die verschiedenen Tieflochhämmer
weitergeleitet
werden, um deren Schlagantrieb zu bewirken.
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Prinzipiell besteht die Möglichkeit, wahlweise eines der beiden Rohrgestänge
festzuhalten, und das andere Rohrgestänge zu drehen, oder beide Rohrgestänge mit
unterschiedlichen Drehzahlen bzw. Drehrichtungen zu betreiben. Wichtig ist, daß
zwischen den Rohrgestängen eine Relativdrehung stattfindet, aus der der Drehantrieb
für die Tieflochhämmer um deren Achsen herum abgeleitet wird. Ferner ist es möglich,
das zweite Rohrgestänge zu drehen, und das erste Rohrgestänge, an dem die Tieflochhämmer
gelagert sind, festzuhalten. In diesem Fall führen die Tieflochhämmer Drehbewegungen
um ihre Achsen, jedoch keine Umlaufbewegung um die gemeinsame Achse der Rohrgestänge
durch.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Bohreinrichtung und
Figur 2 eine Ansicht der Bohreinrichtung von der Bohrsohle her.
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Die Bohreinrichtung weist ein aus zahlreichen hintereinandergesetzten
Rohren bestehendes erstes Rohrgestänge 10 und ein im ersten Rohrgestänge koaxial
verlaufendes, ebenfalls aus zahlreichen hintereinandergesetzten Rohren bestehendes
Innenrohrgestänge 11 auf. Außerhalb des Bohrlochs
befindet sich
ein Bohrkopf 12, an dessem rückwärtigen Ende ein rohrförmiger Ansatz 13 vorgesehen
ist, der eine Innenkeilverzahnung 14 aufweist. In die Innenkeilverzahnung 14 greift
eine Außenkeilverzahnung ein, die am rückwärtigen Ende des zweiten Rohrgestänges
11 angeordnet ist. Da der Ansatz 13 drehfest an dem Kopf 12 angebracht ist, wird
über die ineinandergreifenden Keilverzahnungen das zweite Rohrgestänge 11 drehfest
gehalten.
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An dem Kopf 12 ist ferner ein Antriebsmotor 15 befestigt, der über
ein Ritzel 16 einen Zahnkranz 17 antreibt, der koaxial an dem Außenrohrgestänge
10 befestigt ist. Durch den Antriebsmotor 15 wird somit das erste Rohrgestänge 10
gedreht. Im Kopf 12 ist das erste Rohrgestänge 10 beidseitig des Zahnkranzes 17
mit Lagern 18, 19 gelagert.
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In dem Kopf 12 befindet sich ein von einem Flansch des ersten Rohrgestänges
10 abgeschlossener Ringraum 21, der einen Anschluß 20 zum Anschließen einer Wasserspülleitung
aufweist. Der Ringraum 21 ist durch ringförmige Dichtungen 22, die die Ringspalte
zwischen dem Kopf 12 und dem ersten Rohrgestänge 10 abdichten, druckdicht verschlossen.
Aus dem Ringraum 21 führen Rohre 23 parallel zu dem ersten Rohrgestänge 10 nach
vorne. Da das von der Bohreinrichtung gebohrte Loch einen Durchmesser hat, der größer
ist als derflirchmesser des ersten Rohrgestänges 10, können die Rohre des ersten
Rohrgestänges 10 durch Außenflansche 24, 25 miteinander verbunden sein, die radial
abstehen und abgedichtete Durchgangsbohrungen 26 zum
Verbinden
der Rohre 23 aufweisen. Die Rohre 23 haben einen wesentlich kleineren Durchmesser
als das Außenrohrgestänge 10, so daß die Anzahl der Rohre 23, die um das Außenrohrgestänge
10 herum angeordnet sind, in weiten Grenzen variiert werden kann. In der Regel reichen
jedoch zwei Rohre 23 aus.
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In der Nähe des rückwärtigen Endes des Kopfes 12 befindet sich ein
Druckluftanschluß 27, durch den hinter dem Ende des ersten Rohrgestänges 10 Druckluft,
der eine Ölemulsion beigegeben ist, in den Ringspalt zwischen dem drehenden ersten
Rohrgestänge 10 und dem drehfest gehaltenen zweiten Rohrgestänge 11 geleitet wird.
Diese Druckluft wird für den Antrieb der Tieflochhämmer benutzt.
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An das rückwärtige Ende des Kopfes 12 ist ein Rohrkrümmer 28 angeschlossen,
der das Innenrohrgestänge 11 verlängert, und in den eine Druckluftdüse 29 einmündet.
Die in Auslaßrichtung des Rohrkrümmers 28 gerichtete Druckdüse 29 drückt das Bohrgut
aus dem Rohrkrümmer 28 hinaus und erzeugt gleichzeitig im Innenrohrgestänge 11 einen
Sog, durch den das Rückspülen des Bohrgutes unterstützt wird.
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Am vorderen Ende des ersten Rohrgestänges 10 ist ein Hammerkopf 30
befestigt, dessen Durchmesser größer ist als die Flansche 24, 25 des ersten Rohrgestänges.
Der Hammerkopf 30 trägt mehrere Tieflochhämmer 31, 32. Im vorliegenden Fall sind
vier Tieflochhämmer 31 vorgesehen, deren Achsen jeweils auf demselben Kreis um die
gemeinsame Achse der Rohrgestänge 10, 11 angeordnet sind, während ein
weiterer
Tieflochhammer 32 (Figur 2) einen geringeren Abstand von der Achse der beiden Rohrgestänge
10, 11 hat.
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Die Tieflochhämmer 31, 32 sind von einem Rohr 33 umgeben, dessen Außendurchmesser
demjenigen des Hammerkopfes 30 entspricht und das mit dem Hammerkopf 30 fest verbunden
ist. Das Rohr 33 endet in der Nähe der Bohrsohle 34 und weist dort an einer Stirnplatte
35 für jeden der stabförmigen Tieflochhämmer 31, 32 eine Lagerbuchse 36 auf. Die
Tieflochhämmer 31, 32 rotieren in den Lagerbuchsen 36. Sie weisen an ihrem vorderen
Ende jeweils eine Bohrkrone 37 auf.
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An den rückwärtigen Enden der stabförmigen Gehäuse der Tieflochhämmer
31 befindet sich jeweils ein Anschlußstück 38, das fest mit dem betreffenden Hammergehäuse
verschraubt ist. Die Anschlußstücke 38 weisen eine Außenverzahnung 39 auf und sind
zu beiden Seiten der Außenverzahnung 39 in Lagerbuchsen 40, 41 im Innern des Hammerkopfes
30 drehbar gelagert. In dem Hammerkopf sind weiterhin die übertragungszahnräder
42 angeordnet, die mit den Außenverzahnungen 39 der Anschlußstücke 38 kämmen,und
deren Achsen 43, 44 in Lagerbuchsen 45 bzw. 46 rotieren. Das zweite Rohrgestänge
11 weist im Innern der Kammer 47 des Hammerkopfes 30 eine Außenverzahnung 48 auf,die
mit den Zähnen der Übertragungszahnräder 42 kämmt. Wenn sich der Hammerkopf 30 zusammen
mit dem ersten Rohrgestänge 10 dreht, während das zweite Rohrgestänge 11 unverdrehbar
festgehalten wird, laufen die übertragungszahnräder 42 unter Drehung um ihre Achsen
um das zweite Rohrgestänge 11 um, wobei sie gleichzeitig die Anschlußstücke 38 und
somit auch die Tieflochhämmer 31, 32 drehen. Wie aus den Zeilen in Figur 2 ersichtlich
ist, sind
die Drehrichtungen des Hammerkopfes 30 und der einzelnen
Tieflochhämmer 31 einander entgegengesetzt. Dies ist auf die Wirkung der Übertragungszahnräder
42 zurückzuführen, die jedoch nicht unbedingt erforderlich sind. Wenn die Verzahnungen
39 der Anschlußstücke 38 direkt mit der Außenverzahnung 48 des zweiten Rohrgestänges
11 kämmen, ergeben sich gleichsinnige Umlauf- und Rotationsrichtungen der Tieflochhämmer
31, 32.
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Die die Zahnräder enthaltende Kammer 47 des Hammerkopfes 30 ist an
ihrem vorderen Ende durch eine Stirnplatte 49 verschlossen, die Öffnungen für den
Durchtritt der Tieflochhämmer 31, 32 und des Endes des Innenrohrgestänges 11 aufweist.
An die mittlere öffnung der Stirnwand 49 ist ein Rohr 50 angeschlossen, dessen anderes
Ende durch die Stirnplatte 35 hindurchgeht und somit in der Nähe der Bohrsohle 34
endet. Das Rohr 50 verläuft zwischen der Stirnwand 49 und der Stirnplatte 35 nicht
geradlinig, sondern schräg, so daß seine vordere Öffnung exzentrisch zur Stirnplatte
35 angeordnet ist. Der Grund hierfür liegt darin, den Tieflochhammer 32 (Figur 2)
möglichst nahe an dem Zentrum der Stirnplatte 35 bzw. an der Achse des Rohres 33
anzuordnen. Die Bohrkrone dieses Tieflochhammers 32 soll also den Mittenbereich
des Bohrlochs bearbeiten, und darf d& - nicht in Konflikt mit dem Rohr 50 gelangen.
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Das Rohr 50, das über den Hammerkopf 30 rotatorisch mit dem ersten
Rohrgestänge 10 gekoppelt ist, mündet an seinem rückwärtigen Ende in das rotatorisch
feststehende zweite Rohrgestänge 11.
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Der Hammerkopf 30 weist ein sich nach vorne erweiterndes Anschlußstück
51 zum Verbinden mit dem ersten Rohrgestänge 10 auf. In dem Anschlußstück 51 befinden
sich Bohrungen 52, durch die das Druckmedium, das sich in dem Rinnraum zwischen
dem ersten Bohrgestänge 10 und dem zweiten Bohrgestänge 11 befindet, in die die
Zahnräder enthaltende Kammer 47 geleitet wird. Von der Kamrner 47 führen Schrägbohrungen
53, die in jedem der Anschlußstücke 38 vorgesehen sind, in das Innere der Tieflochhämmer
31 hinein. Da der über die Bohrungen 52 zugeführten Druckluft eine Schmiermittelemulsion
beigefügt ist, und sich das Schmiermittel zum größten Teil im Innern der Kammer
47 absetzt, ist für eine ausreichende Schmierung der Lager 40, 41, 45, 46 und der
Zahnräder 39, 42, 48 gesorgt. Die Druckluft gelangt durch die Schrägbohrungen 53
in die Tieflochhämmer 31, 32, deren Konstruktion bekannt ist, und die daher nicht
im einzelnen erläutert wird. Jeder Tieflochhammer weist einen Hammerkolben 54 auf,
der durch eine Steuereinrichtung von der zugeführten Druckluft periodisch hin und
herbewegt wird und Schläge auf den Schaft 55 der zugehörigen Bohrkrone 37 ausführt.
Der Schaft 55 ist in dem Gehäuse des Hammerkolbens drehfest, aber in Grenzen längsverschiebbar
befestigt.
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Durch jeden Hammerkolben 31, 32 geht außerdem eine Spülwasserleitung
56 hindurch, die mit den Rohren 23 in Verbindung steht. Bei der Spülwasserleitung
56 handelt es sich jeweils um ein Rohr, das koaxial durch den gesamten Tieflochhammer
einschließlich des Hammerkolbens hindurchragt
und außerdem durch
den Schaft 55 hindurchgeht und im Innern der Bohrkrone 37 mündet. Die Bohrkrone
37 weist mehrere Schrägbohrungen 56 auf, in die das Wasser gelangt, um aus Öffnungen
57 der Bohrkrone auszutreten. Das Wasser vermischt sich an der Bohrsohle 34 mit
dem Bohrgut. Der Bohrschlamm wird durch die zusätzlich an die Bohrsohle beförderte
Abluft der Tieflochhämmer 31 in das Rohr 50 hineingedrückt, und durch das zweite
Rohrgestänge 11 hindurch abgeführt.
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Von der Kammer 47 führt eine Venturiöffnung 58 in das zweite Rohrgestänge
11 hinein. Durch diese Venturiöffnung 58 strömt Druckluft mit dem in der Kammer
47 herrschenden vollen Druck in das erste Rohrgestänge, um von dort zurück zu strömen.
Hierdurch entsteht in dem Rohr 50 infolge des Venturieffektes ein zusätzlicher Sog,
der den von der Bohrsohle 34 her wirkenden Druck unterstützt, um das Bohrgut von
der Bohrsohle abzubefördern.
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Die Öl enthaltende Druckluft wird nicht nur zum Schmieren der Zahnräder
und deren Lager im Innern der Kammer 47 benutzt, sondern außerdem zum Schmieren
von Gleitlagern 59 und 60, mit denen der rotierende Hammerkopf 30 an dem drehfesten
zweiten Rohrgestänge 11 gelagert ist.
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Beim Betrieb der Bohreinrichtung wird das erste Bohrgestänge 10 von
dem Antriebsmotor 15 gedreht. Der Hammerkopf 30, das Rohr 33 und die Stirnplatte
35 sowie das Rohr 50, die fest mit dem ersten Rohrgestänge 10 verbunden sind, drehen
sich mit. Hierdurch führen die Tieflochhämmer 31, 32 eine Umlaufbewegung um die
Achse der Bohrgestänge
bzw. des Rohres 33 aus. Gleichzeitig werden
die Tieflochhämmer 33 über die Zahnräder 48, 42, 38 um ihre eigenen Achsen herum
gedreht. Sie führen also innerhalb des Hammerkopfes 30 bzw. des Rohres 33 jeweils
noch eine Eigendrehung aus.
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